METAL: JURNAL SISTEM MEKANIK DAN TERMAL - VOL. 02 NO. 02 (2018) 43-49

Terbit online pada laman web jurnal : http://metal.ft.unand.ac.id

METAL: Jurnal Sistem Mekanik dan Termal

| ISSN (Print) 2598-1137 | ISSN (Online) 2597-4483 |

Attribution-NonCommercial 4.0 International. Some rights reserved

Artikel Penelitian

Reduksi Gaya Drag Silinder Sirkular dengan Penambahan Square

Disturbance Body Melalui Simulasi Numerik 2D Unsteady-RANS pada

Reynolds Number 34800

Rina 1, Ruzita Sumiati

2 Adriansyah

2

1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Dharma Andalas, Jl. Sawahan No. 103A, Padang, Indonesia 2 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang, Kampus Limau Manis, Padang, Indonesia

INFORMASI ARTIKEL A B S T R A C T

Sejarah Artikel:

Diterima Redaksi: 06 Agustus 2018

Revisi Akhir: 24 September 2018

Diterbitkan Online: 29 Oktober 2018

Circular cylinder has a strong adverse pressure gradient. When a fluid flows

around the circular cylinder, it will produce aerodynamics force. One of them

is the drag force which strong enough. Hence, control of flow need to reduce

the drag force with placed a disturbance body on the upstream side. The

purpose of this study is to compare and complement the experimental research

of drag reduction that has been done before. The aerodynamics characteristics

of the disturbance body and cylinder are modelled in two dimensions

Unsteady-RANS by using fluent with turbulent flow. It is found that the mean

drag and the lift fluctuation of the cylinder can be reduced by the upstream

disturbance body with the s/D = 0.107 (here s and D are side length of the

disturbance body and the diameter of cylinder, respectively). The position of

the disturbance body is varied at (α) 20º, 30º, 40º, 50º and 60º with a gap

distance (δ = 0.4mm). Reynolds number based on cylinder diameter ReD =

3.48x104. Fluid interaction between circular cylinder with two disturbance

body can increase boundary layer transition from laminer to turbulent to

produce small drag. It is found that the characteristics of the flow significantly

depend on the position of disturbance body. The optimum condition for the

drag force reduction is at the angle α = 30º about 53 %.

KATA KUNCI

circular cylinder

square disturbance body

drag pressure coefficient

drag force

turbulent flow

KORESPONDENSI

E-mail: rina.mesin@gmail.com

1. PENDAHULUAN

Karakteristik aliran di sekitar bluff body bisa

dianalisa melalui filosofi boundary layer.

Diketahui bahwa boundary layer sangat

berkontribusi dalam pengurangan gaya drag di

sekitar body yang dilalui fluida karena adanya

pengaruh tegangan geser. Tegangan geser pada

permukaan body dipengaruhi oleh distribusi

tekanan yang terjadi pada kontur body, dimana

karakteristik distribusi tekanan ini dipengaruhi

oleh geometri body.

Beberapa penelitian telah dilakukan untuk

mengetahui fenomena yang terjadi pada aliran

yang melintasi bluff body, baik itu untuk

kepentingan akademik maupun industri.

Pengurangan drag dilakukan dengan cara

memanipulasi atau mengontrol medan aliran.

Penelitian terkait ini sangat besar perannya dalam

hal kemajuan teknologi, karena dengan

berkurangnya gaya drag maka bahan bangunan

akan dapat diselamatkan. Bentuk geometri body

yang sering digunakan adalah berbentuk circular

cylinder. Gerakan fluida yang melewati circular

RINA / METAL: JURNAL SISTEM MEKANIK DAN TERMAL - VOL. 02 NO. 02 (2018) 43-49

Rina 44

cylinder banyak kita lihat aplikasinya pada struktur

bangunan-bangunan yang menggunakan bentuk-

bentuk dasar bluff body seperti jembatan, cerobong

asap, sistem perpipaan, cooling tower, tiang,

struktur penyangga anjungan lepas pantai, dan lain

sebagainya.

Kita ketahui bahwa, bentuk bluff body circular

cylinder memiliki kelengkungan kontur permukaan

dengan karakteristik Adverse Pressure Gradient

(APG) yang kuat karena dominan dipengaruhi oleh

pressure drag yang disebabkan oleh tekanan aliran

pada permukaan body. Gradient tekanan yang

terjadi pada permukaan body ini sangat besar

sehingga mengakibatkan transisi lapis batas

laminar menjadi turbulen akan lebih cepat terjadi.

Penelitian yang telah dilakukan dalam usaha

pengurangan gaya drag dengan penambahan body

pengganggu (upstream disturbance body) yang

disusun secara tandem telah dilakukan oleh Tsutsui

dan Igarashi [1], Lee, dkk [2], dan Zhang [3].

Mereka melakukan penelitian dengan

menvariasikan rasio jarak longitudinal antara

upstream disturbance body dengan silinder sirkular

utama (L/D), rasio diameter upstream disturbance

body dengan diameter silinder sirkular utama (d/D)

dan Reynolds number. Boundary layer yang

terseparasi dari kontur permukaan disturbance

body akan membentuk free shear layer yang

menghasilkan discrete vortices dan mengenai

permukaan depan sirkular silinder utama.

boundary layer pada silinder utama berinteraksi

dengan Free shear layer. Hal ini menyebabkan

transisi lapis batas laminer menjadi turbulen pada

silinder utama akan lebih cepat terjadi sehingga

separasi masif tertunda ke belakang, akibatnya

gaya drag dapat direduksi.

Model konfigurasi bluff body yang disusun secara

tandem juga digunakan oleh Daloglu [4] dalam

penelitiannya. Dia menggunakan square cylinder

yang ditempatkan pada sisi upstream dan circular

silinder pada sisi downstrem. Variasi yang

dilakukan adalah besarnya diameter sirkular

silinder (D=d, D=2d, D=3d), dan rasio jarak

longitudinal antara square cylinder pada sisi

upstream dengan circular cylinder terhadap

diameter circular cylinder (S/d). Hasil

penelitiannya menjelaskan bahwa variasi jarak

antar silinder memberikan pengaruh terhadap

reduksi gaya drag, yaitu pada ratio jarak 1-1,5.

Informasi lain yang dapat dilihat adalah square

cylinder mempunyai nilai pressure drop lebih

besar dari pada nilai circular cylinder.

Alam, dkk [5] dan Putra [6], menggunakan 2 buah

body pengganggu masing-masing circular cylinder

dan square cylinder, dengan variasi sudut

pengganggu tertentu. Penelitian mereka

menyebutkan bahwa penambahan body

pengganggu pada sisi upstream silinder utama

pada sudut tertentu memberikan pengaruh terhadap

pengurangan gaya drag. Nilai optimum dalam

pencapaian pengurangan gaya drag adalah pada

sudut α=30º Hal ini disebabkan pada sudut tersebut

separasi masif tertunda sangat signifikan, ini

terjadi karena adanya reattachment aliran pada

silinder utama akibat dari penambahan disturbance

body. Sedangkan pada sudut α=60º tidak

memberikan kontribusi dalam pengurangan gaya

drag, karena aliran setelah melewati silinder

pengganggu langsung terseparasi tanpa terdefleksi

kembali ke silinder utama. Kemudian Weidman [7]

dan Bell [8] meneliti pengaruh rasio dimensi bluff

body dengan luasan saluran (blockage effect)

terhadap kecepatan fluida dan koefisien hambatan.

Kecepatan free stream akan meningkat karena

adanya blockage effect. Dari hasil penelitian

tersebut, mereka mengatakan bahwa semakin besar

nilai blockage effect maka koefisien drag (Cd)

akan semakin meningkat. Hal ini disebabkan

karena dinding wind tunnel mengalami

peningkatan dalam kecepatan free stream yang

disebabkan oleh solid blockage yang juga

berpengaruh terhadap pertumbuhan wake.

Freitas [9] merekomendasikan beberapa hal

penting dalam melakukan simulasi numerik, yaitu

turbulent modeling seperti RANS, URANS, LES,

DES, boundary condition, initial condition, bentuk

dan kerapatan meshing (grid independence)

terutama di daerah dekat dinding (solid surface),

sehingga didapatkan hasil yang sesuai dengan hasil

eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya.

RINA / METAL: JURNAL SISTEM MEKANIK DAN TERMAL - VOL. 02 NO. 02 (2018) 43-49

Rina 45

Dari beberapa penelitian tersebut, pembahasan

tentang terjadinya peningkatan intensitas

turbulensi dari free shear layer yang terseparasi

dari body penggangggu yang kemudian melekat

kembali (attach) pada kontur silinder utama di

dalam medan free stream belum dibahas lebih

rinci, sehingga perlu dibahas lebih lanjut dengan

menampilkan kontur visualisasi aliran pada

simulasi numeric menggunakan software FLUENT

6.3.26.

2. METODOLOGI

Karakteristik aerodynamics dari silinder dan

pengganggu dimodelkan secara Numerik 2D

Unsteady-RANS menggunakan Turbulen Model

Shear-Stress-Transport (SST) k-ω pada saluran

sempit. Geometri body yang disimulasikan adalah

circular cylinder sebagai main bluff body dengan

diameter 37.5 mm, 2 buah square cylinder sebagai

body pengganggu dengan panjang sisi 4 mm

(s/D=0.107) yang ditempatkan di sisi depan main

bluff body. Sudut body pengganggu yang

digunakan adalah α=20º, 30º, 40º, 50º dan 60º

dengan jarak gap δ=0,4 mm. Reynolds Number

digunakan berdasarkan diameter silinder, yaitu

3.48 x 104.

Flow

Uo, µ, ρ

Main Circular

Cyinderδ

Dα

H

P

CD

CL

S

Square Disturbance

Body

Gambar 1. Skema geometri silinder sirkular

dengan square disturbance body

Hasil post-processing dari simulasi numerik

dengan CFD solver FLUENT 6.3.26 menghasilkan

data kuantitatif maupun kualitatif (visualisasi

aliran). Koefisien tekanan adalah data kuantitatif

yang merupakan pembagian dari tekanan statis

dibagi dengan tekanan dinamik seperti diuraikan

pada persamaan berikut:

22

1c UCp

(1)

dimana pc adalah tekanan pada kontur silinder

sirkular, p adalah tekanan statis pada free-

stream, dan 2

21 U adalah tekanan dinamik pada

free-stream.

Koefisien pressure drag (Cdp) diperoleh dengan

mengintegrasikan koefisien tekanan (Cp) kontur

permukaan silinder.

dθθcosθ2π

0p

C2

1Cdp

(2)

Untuk mendapatkan harga koefisien drag pressure

(Cdp) maupun koefisien drag total (CDT) dapat

diselesaikan dengan metoda numerik aturan

Simpson 1/3 segmen berganda yang dirumuskan

pada persamaan (3) berikut :

n3

xfxf2xf4)x(f

abI

1n

5,3,1i

2n

6,4,2j

njio

(3)

dimana :

b = 2π dan a = 0, f(x0) = Cp(0) cos (0) dan

f(xn) = Cp(2π) cos (2π) untuk menyelesaikan

persamaan (3.3).

f(xi) adalah perkalian dari fungsi data gasal

dimana i = 1,3,5 …n-1.

f(xj) adalah perkalian dari fungsi data genap

dimana j = 2,4,6 …..n-2.

n = jumlah data.

Kemudian data kualitatif berupa visualisasi aliran

yaitu kontur velocity pathline dan velocity vector.

Kedua hasil post processing kuantitatif dan

kualitatif akan saling melengkapi untuk

menjelaskan fenomena aliran pada silinder sirkular

dengan penambahan square disturbance body.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Distribusi Koefisien Tekanan dan Visualisasi

Aliran

Untuk melihat perubahan yang terjadi di sepanjang

kontur permukaan silinder mulai dari titik stagnasi,

bubble separation, trasisi laminar ke turbulen

sampai akhirnya terseparasi massif akan dianalisa

RINA / METAL: JURNAL SISTEM MEKANIK DAN TERMAL - VOL. 02 NO. 02 (2018) 43-49

Rina 46

melalui grafik koefisien tekanan yang ditunjukkan

pada Gambar 4.

Pada Gambar 4 dilihat adanya perbedaan

akselerasi maksimum yang terjadi pada setiap

pergeseran sudut SDB (Square Disturbance Body).

Semakin besar pergeseran sudut SDB, maka akan

semakin meningkat adverse pressure gradient

yang terjadi. Hal ini disebabkan karena free shear

layer yang terseparasi dari body pengganggu

(SDB) tidak lagi attach pada permukaan silinder,

dikarenakan terbentuknya bubble separation pada

permukaan body pengganggu. Hal ini

mengakibatkan terjadi devisit momentum pada

daerah ini sehingga tidak mampu lagi attach pada

permukaan silinder utama akan tetapi langsung

terseparasi massif, sehingga membentuk stream

tube yang semakin lebar akibatnya terjadi

peningkatan adverse pressure gradient (Gambar

5). Hal ini mengakibatkan separasi massif terjadi

lebih awal. Fenomena ini terjadi pada konfigurasi

silinder dengan SDB (α = 50º dan 60º), dengan

Cpmin berturut-turut sekitar -4.2 dan -5.3.

Sedangkan pada konfigurasi sudut SDB α =20º dan

α = 30º dan α = 40º, separasi masif terjadi lebih

lambat dibandingkan dengan silinder tunggal,

dimana separasi pada silinder tunggal terjadi pada

sudut kontur θ ≈ 95º. Sedangkan konfigurasi sudut

SDB α =20º dan α = 30º dan α = 40º separasi

masif baru terjadi berturut-turut pada sudut θ ≈

100º, θ ≈ 103º dan θ ≈ 97º, seperti yang terlihat

pada Gambar 4.

Flow

Uo, µ, ρ

S

δ

αH

Square

Disturbance

Body (Wall)

Main Circular

Cylinder (Wall)P

CL

CD

8D 20D

Lower Wall

(wall)

Upper Wall

(wall)

Inlet

(Velocity Inlet)

Outlet

(Pressure Outlet)

2.5D

2.5D

Gambar 2. Domain simulasi numerik

Gambar 3. Meshing qualidrateral map

RINA / METAL: JURNAL SISTEM MEKANIK DAN TERMAL - VOL. 02 NO. 02 (2018) 43-49

Attribution-NonCommercial 4.0 International. Some rights reserved

Peak yang terbentuk pada grafik koefisien tekanan

(Gambar 4) pada SDB α =20º, α =30º dan α = 40º)

mengindikasikan adanya bubble separation..

Momentum fluida yang terdefleksi dari bodi

pengganggu (SDB) berinteraksi dengan

momentum fluida pada free stream. Hal ini

mengakibatkan terjadinya penambahan momentum

sehingga aliran mampu attach pada kontur

permukaan silinder sekitar sudut θ ≈ 80º, θ ≈ 85º

dan θ ≈ 78º (berturut-turut pada SDB α =20º, α

=30º dan α = 40º). Bertambahnya momentum pada

daerah ini, mampu melawan adverse pressure

gradient dan shear stress yang terjadi sehingga

transisi aliran berubah lebih cepat ke turbulen.

Akan tetapi pada sudut α =20º dan α = 40º hanya

sedikit mampu melawan shear stress dan adverse

pressure gradient yang terjadi sehingga aliran

langsung terseparasi massif.

Gambar 4. Perbandingan distribusi koefisien tekanan (Cp) pada silinder dengan variasi sudut SDB

a b

RINA / METAL: JURNAL SISTEM MEKANIK DAN TERMAL - VOL. 02 NO. 02 (2018) 43-49

Rina 48

c d

e f

Gambar 5. Visualisasi aliran velocity pathline dan velocity vector. (a) Silinder tunggal ; (b) SDB α = 20º ;

(c) SDB α = 30º; (d) SDB α = 40º; (e) SDB α = 50º; (f) SDB α = 60º

3.2 Koefisien Drag Pressure (Cdp)

Drag salah satunya disebabkan oleh tekanan aliran

pada permukaan silinder. Drag akibat tekanan

dapat diketahui melalui nilai koefisien drag

pressure (Cdp). Grafik koefisien drag pressure

(Cdp) dapat dilihat pada Gambar 6. Dari grafik

dapat dilihat bahwa silinder dengan SDB (α = 30º)

paling optimum dalam usaha mereduksi gaya drag

akibat tekanan dengan nilai Cdp = 0.58.

Gambar 6. Grafik koefisien drag pressure (Cdp)

silinder tunggal dan silinder dengan SDB

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

20 30 40 50 60

Cdp

Sudut SDB (α)

Silinder Tunggal Silinder dengan SDB

RINA / METAL: JURNAL SISTEM MEKANIK DAN TERMAL - VOL. 02 NO. 02 (2018) 43-49

Rina 49

4. KESIMPULAN

Berdasarkan analisa yang telah diuraikan diatas,

ada beberapa kesimpulan yang dapat dituliskan

sebagai berikut:

1. Penggunaan Square Disturbance Body

(SDB) dapat mereduksi gaya drag, akan

tetapi terbatas hanya penggunaan sudut

SDB α = 20º, 30º dan 40º, lebih dari itu

sudah tidak memberikan kontribusi dalam

pengurangan gaya drag.

2. Pada silinder dengan SDB (α = 20º, 30º dan

40º) transisi aliran terjadi lebih cepat terjadi

sehingga aliran lebih lambat terseparasi

masif.

3. Silinder dengan SDB (α = 30⁰) merupakan

sudut pengganggu yang paling optimum

dalam usaha mereduksi gaya drag yaitu

sebesar 53%.

DAFTAR PUSTAKA

[1] T. Tsutsui, T. Igarashi,”Drag reduction of a

circular cylinder in an air-stream”, Jurnal of

wind engineering and industrial

aerodynamics Vol. 90, 527-541, 2002.

[2] S.S. Lee, S.I. Lee, C.W. Park, “Reducing the

drag on a circular cylinder by upstream

installation of a small control rod,” Fluid

dynamics research, Vol. 34, 233-250. 2004.

[3] P.F. Zhang, J.J. Wang, L.X. Huang,

“Numerical simulation of flow around

cylinder with an upstream rod in tandem at

low Reynolds number”, Applied Ocean

Research 28, 183-192, 2006.

[4] A. Daloglu, “Pressure drop in a channel with

cylinders in tandem arrangement”,

International Communication in Heat and

Mass Transfer 35, 76-83, 2008.

[5] M.D. Alam, H. Sakamoto, M. Moriya,

“Reduction of fluid forces acting on a single

circular cylinder and two circular cylinders

by using tripping rods”, Journal of fluids and

structures Vol. 18, 347-366, 2003.

[6] R.P. Putra, “Reduksi gaya hambat pada

silinder sirkular dan reduksi pressure drop

pada saluran sempit berpenampang bujur

sangkar dengan menggunakan batang

pengganggu berbentuk square cylinder”,

Tesis, Institut Teknologi Sepuluh, 2013

[7] P.D. Weidman, Wake transition and

blockage effect on cylinder base pressure,

Tesis, California Institute of Technologi,

Pasadena,1968.

[8] W.H. Bell, “Turbulence vs drag-some

further consideration,” Ocean Engineering.

Vol. 10, No. 1, PP, 47-63,1983.

[9] M. Ozgoren, Flow structure in the

downstream of square and circular cylinders,

Celcuk University, Faculty of Engineering,

Turkey, 2005.